煉鋼用耐火材料的研究

李玉書

摘要：耐火材料的性能與材質影響著鋼水成分控制的精準化以及非金屬夾雜含量，繼而影響著煉鋼質量。而生產耐火材料會造成嚴重的資源浪費與污染情況。在綠色經濟不斷發展的過程中，在生產過程中減少耐火材料的能耗可以有效節約資源、保護環境。同時，耐火材料在煉鋼中發揮著重要作用，因此本文將對煉鋼用耐火材料進行簡要分析。

關鍵詞：煉鋼;耐火材料;冶煉

前言：

煉鋼質量會受到耐火材料的影響，因此研究煉鋼用耐火材料具有重要意義，需科學選擇耐火材料并分析電爐用耐火材料、精煉包用耐火材料等各個方面。

1.煉鋼設備與工藝

本文以某生產和制造大型鑄鍛件的重機廠為例分析煉鋼用耐火材料。該重機廠配備了精煉爐與超高功率電爐，從而對鑄件與鋼錠進行處理。在對鋼水進行真空脫氣處理之后需要通過中間包對其進行真空澆鑄，這樣就可以生產出雙真空鋼錠以及鑄件毛坯【1】。

2.煉鋼用耐火材料

鑄鍛件的冶煉生產需要冶金設備的支持，鋼錠的生產要求比鑄件的要求更高一些，因此本文將以該重機廠鋼錠冶煉生產所需的設備為例，分析如何選用耐火材料。

2.1科學選擇耐火材料

對于煉鋼設備來說，耐火材料需要具備在使用過程中不軟化、不變形的性能，且需要具有一定的強度。因此，在選擇耐火材料時需要分析耐火材料的常溫耐壓強度、重燒線收縮以及荷重軟化溫度等情況【2】。其次，在選擇耐火材料時需要考慮煉鋼設備的反應氛圍。部分耐火材料對反應范圍的敏感度較高，例如若耐火材料的含碳量較高，在氧化性氛圍下就很容易出現氧化的情況，所以不能將這類耐火材料應用在氧化性氛圍強的條件當中。此外，在選擇耐火材料時需要考慮耐火材料的顯氣孔率以及體積密度等情況。在煉鋼過程中，耐火材料會與高溫鋼水進行直接接觸。若耐火材料的氣孔較多、致密程度不足，鋼水就會通過氣孔滲透到耐火材料當中，從而改變耐火材料的結構組織，當出現溫度變化時，耐火材料就會熔損剝落。

2.2電爐用耐火材料

在煉鋼過程中，電爐可以為精煉爐提供磷、碳等物質以及符合溫度要求的鋼水。同時，電爐也可以通過脫碳過程中的碳氧反應去除鋼水當中的夾雜與氣。電爐當中發生的化學反應為：

[C]+（FeO）=[Fe]+CO（g）

2[P]+8[FeO]=（3FeO·P2O5）+5[Fe]

P2O5+4（CaO）=（4CaO·P2O5）

從電爐的工作環境來看，在選擇耐火材料時需要考慮三個因素。第一，需要在高堿度的環境當中進行脫磷工作，需要使用大量的石灰，同時需要在高溫環境當中進行脫碳工作，這就要求耐火材料具備在高溫之下抗高堿性爐渣侵蝕的能力，即要求耐火材料具備高溫力學性能以及高溫化學穩定性。第二，重機行業中的煉鋼采用的是間斷式生產的方式，電爐在冶煉過程中的溫度非常高，停爐出鋼后，爐體會迅速降溫，所以耐火材料需要具備較高的抗熱震性。第三，電爐的爐料大多都是廢鋼，在加料過程中會對爐體造成較大的沖擊，因此耐火材料需要具備抗機械沖擊能力。

2.3精煉包用耐火材料

二十世紀七十年代時，日本發明了精煉爐，可以將電爐的還原與合金化處理工作轉交給精煉爐，在這種情況下電爐就可以只進行粗煉鋼水的生產工作，可有效提高生產效率，同時也可以充分發揮精煉爐底吹氬氣攪拌鋼液的優勢，確保鋼液的溫度與成分更加均勻，使鋼液當中的夾雜物上浮出來，提高鋼液品質【3】。近年來，行業對鑄鍛件產品提出了更高的要求，精煉爐不可或缺。可以利用精煉爐對鋼液進行合金化、脫氧以及脫硫處理。精煉爐當中的化學反應為：

[FeS]+（CaO）=（CaS）+（FeO）

2（Al）+3[FeO]=（Al2O3）+3[Fe]

（Si）+2[FeO]=（SiO2）+2[Fe]

重機廠大多數鋼錠對氧以及氫等氣體的含量都有較高的要求，因此需要對鋼液進行真空處理，且在進行真空處理之前，鋼水的溫度應該大于等于1660攝氏度。從精煉爐的使用情況來看，精煉包的工作環境是直接接觸高堿度、氧化性強且高溫的鋼水，這就要求耐火材料具備良好的力學性能、高溫化學性能以及抗渣性能。

精煉包耐火材料是由透氣磚、工作層以及滑動水口系統共同構成的。當前，鎂碳磚材料在電爐當中有成功應用的案例，所以大多數重機廠的精煉包工作層采用的都是具有穩定高溫性能的鎂碳磚材料。重機廠精煉包是間歇使用的，但是無論是滑板還是滑動水口系統都需要定期更換，即使用兩次更換一下，為此需要選擇鋁碳質的耐火材料，即以剛玉、礬土或莫來石等鋁基材料以及碳為主的耐火材料。鋁碳質的耐火材料具有高溫性能良好的優勢，可以滿足生產節奏的要求。透氣磚在精煉包當中發揮著重要作用，在進入鋼水前后需要經受劇烈高溫的變化以及鋼水的沖刷和化學侵蝕。當前常用以Al2O3基體的透氣磚，例如鋁鎂鉻質、剛玉尖晶石、鉻剛玉質以及鋁鎂尖晶石等。相比于其他材質，鉻剛玉質的抗熱震穩定性相對較差，但是體積穩定性較好，所以可以選擇這種材質的透氣磚。

2.4精煉包渣線侵蝕

在使用精煉包的過程中，會出現鋼液、耐火材料以及爐渣的潤濕現象。從相關研究的結果來看，耐火材料的侵蝕性能影響著鋼水、耐火材料與爐渣之間的潤濕性，其中渣-鋼-耐火材料三相處潤濕性是最大的，而鋼-耐火材料處的潤濕性是最小的。從實際情況來看，渣-鋼界面處的侵蝕現象是最嚴重的，鋼水接觸部位的侵蝕現象比較輕，這種情況就屬于渣線侵蝕。很多學者都在研究如何處理渣線侵蝕這一問題，從重機廠精煉包的特點與材質來看，重機行業主流的渣線侵蝕理論涉及到了微域循環效應以及馬蘭戈尼效應。其中，微域循環效應指的是通過在精煉包鋼水上部覆蓋爐渣的方式實現鋼液通電升溫并降低鋼水吸收大氣氣體的幾率。而馬蘭戈尼效應即在精煉包渣線處，磚中的碳會與界面鋼水當中的氧氣發生化學反應，繼而減少。

結語：

在煉鋼過程中選擇耐火材料應當充分考慮設備的工作環境，確保耐火材料可以滿足生產需求，并不斷優化耐火材料，從而滿足冶煉潔凈鋼的要求，減少對環境的污染。

參考文獻

[1]張曉東， 杜晶. 煉鋼用耐火材料的研究[J]. 冶金與材料， 2020， v.40;No.152（01）：47-48.

[2]徐源. 煉鋼耐火材料的應用現狀及發展[J]. 產城（上半月）， 2019， 000（004）：P.1-1.

[3]張艷利， 王憲， 賈全利. 煉鋼電爐用耐火材料的現狀和發展[J]. 耐火與石灰， 2019， 044（003）：7-13.

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